创成式设计将激发设计师通过手动建模不易获得的思想灵感，创造出拥有不寻常的复杂几何结构设计作品。创成式设计与增材制造技术是天生的“好伙伴”。因为增材制造-3D打印技术可以将复杂的设计转化为现实，而创成式设计将进一步释放增材制造的应用潜能。

创成式设计”以及“拓扑优化”GD / TO软件的领先提供商包括Altair、PTC的Frustum、Autodesk、西门子的Solid Edge ST10。本期,3D科学谷再分享4个由新兴创业企业开发的创成式设计软件，它们的应用领域不同，但都与面向增材制造的先进设计有着密切关系。

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微课 l《创成式设计方法及应用》

各有特长的增材制造伙伴

 Diabatix –热交换设计

Diabatix是一家比利时的初创公司，提供创成式热交换组件的设计软件。Diabatix使用人工智能（AI）来驱动模型生成过程，为定制化的应用提供优化的散热器设计。除了热管理设计解决方案之外，Diabatix还提供针对客户热源、制造方法，材料和尺寸而精确优化的液态冷板。

GPU 3D打印散热器。来源：Diabatix

热设计考虑因素对于制造多种产品至关重要。复杂的产品几何形状使得通用热设计解决方案不足以适用于不同的产品。创成式热设计技术为很多特定问题提供了最佳的冷却解决方案。这些设计使压力损失、热阻和热变形最小化，并使功率、热通量和温度均匀性最大化。

 CellCore –仿生设计

骨骼之类的自然结构在支撑大载荷时非常有效，并且还具有其他所需的属性。仿生设计从自然结构中汲取灵感。例如，受鸟翅膀启发创建轻量化设计应用。通过仿生设计技术还能够赋予材料更多的功能。

德国初创公司CellCore 专为零件提供仿生设计方案，使用进化算法根据特定数据和目标参数来迭代优化设计，提供创成的计算机辅助工程（CAE）工作流，从而节省时间和成本。

材料：IN718 镍铬合金；设备：SLM®280。来源：SLM Solutions

CellCore 软件应用领域包括汽车、轨道交通、航天领域的轻量化零部件。例如CellCore与SLM Solutions密切合作，使用镍基高温合金与选区激光熔化技术，成功实现了多功能推力室的一体化成型。在3D打印推力室中，冷却管道是设计中的一部分，并在同一生产过程中与整个腔体一起成型。一体化的火箭发动机，结合喷射器和推力室，将众多的单个部件简化为一个只有通过激光选区熔化工艺才能实现多功能集成的轻量化结构。CellCore公司所开发的内部结构遍布整个火箭发动机，不仅适用于传热，而且提高了构件的结构稳定性。

 ParaMatters-多材料设计

ParaMatters是一家美国初创公司，致力于开发基于云的平台创成式设计和先进制造。ParaMatters 开发名为CogniCAD的软件，该软件可提供新零件的创成式设计与现有CAD模型的拓扑优化。除了根据施加的应力自动优化多孔内部介观结构的功能外，他们还公开了一种多材料拓扑优化功能。

铝/钛多材料零件（下图，红色=钛，灰色=铝）。来源：ParaMatters

右1为金属3D打印零件。来源：ParaMatters

CogniCAD的核心是一组专有功能，这些功能基于给定负载和合规性约束的应力分布的有限元分析来分析和优化零件设计。为了进行此类分析和优化，必须将模型离散化为具有小体积元素的网格，这种离散化过程类似于体素栅格化，CogniCAD已经具有向网格元素分配各种材料的功能，并且已经对材料组合的界面强度进行了一些假设。

 Hyperganic-体素级3D打印设计

德国软件企业Hyperganic 开发了一种面向增材制造的体素级设计软件，消除了STL文件的设计约束。Hyperganic 通过算法自动生成零件，用于创建复杂功能性的仿生结构。

由算法生成的3D打印火箭发动机原型。来源：Hyperganic/de zeen

图中的3D打印火箭发动机原型正是由Hyperganic 设计的，制造材料为Inconel 718，发动机内部外部的材料密度不同，内部结构非常坚固，而外部为轻量化的多孔结构。

火箭发动机原型3D打印/EOS M 290。来源：Hyperganic/de zeen

设计背后的原理是：通过数学算法进行设计，没有任何CAD模型。3D打印火箭发动机模型是通过数字进化过程创建的，进化过程中的算法将生成数百种变体模型，软件将对这些模型进行物理仿真验证，筛选出最适合的模型。最终得到的3D打印火箭发动机设计，具有与人工设计完全不同的外观。

面向增材制造的零部件往往非常复杂，通过传统CAD软件实现起来变得困难。Hyperganic 通过可在CAD 中浏览的体素级3D模型来解决这一困难。Hyperganic 的商业模式也具有创新性，他们不出售软件，但会为客户提供成功的打印参数，这可能意味着Hyperganic 为客户创建收入共享的模型。

3D科学谷Reivew

很多人以为创成式设计是拓扑优化或程序建模的一个分支。但实际上，创成式设计是一个人工智能驱动的流程，利用云来通过探索成千上万的建模可能性来推动创新设计，而不是简单地从原来的设计方案中探索如何减少材料。拓扑优化（Topology Optimization）是对给定的模型进行分析，常见的是根据边界条件进行有限元分析，然后对模型变形或删减来进行优化。

了解更多创成式设计在面向增材制造的先进设计中发挥的作用，请前往文章上方微课，或前往《专栏 l 个性化设计、参数控制变化、轻量化，三大案例看创成式设计的应用价值》，《设计和制造一体化，自动化的承诺始于创成式设计》，《一文看懂影响3D打印的软件有哪些？》。

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3D科学谷曾在《通过创成式设计得到重量轻20%的支架》一文中介绍过ParaMatters 拓扑优化设计平台CogniCAD如何以优化的材料需求来生成满足负载要求的结构件，该设计比标准拓扑优化所得到的设计结果重量轻20%，并且设计过程无需通过设计师手动建模以及迭代。

 考虑动态环境下的受力

如今CogniCAD软件平台又获得了进一步的发展，最近CogniCAD发布了一系列创新和前沿的更新，所有这些都是针对增材制造的拓扑优化设计方法。

CogniCAD现在集成了一系列不同的负载类型，用户可以将这些负载类型应用到他们的模型中，以确保该部件能够承受它在现实运行中所承受的物理压力。

CogniCAD考虑了许多类型的负载计算，包括力量和压力，以及加速度情况下的受力。CogniCAD加速度情况下的受力对航空航天业非常重要，不仅如此，CogniCAD还增加了热负荷条件下的负载计算。

之前的CogniCAD版本只有一个用于拓扑优化设计探索的选项：指定体积下最小化结构柔顺性（即最大化刚度）*，这需要用户指定部件的体积函数以生成优化的拓扑结构。根据3D科学谷的了解，这不是工程应用的最佳方式，因为用户并不确切知道最佳体积分数，在某些情况下，体积分数的变化对实现目标没有帮助，因为刚度和强度的设计要求是不同的。新的CogniCAD版本中，用户只需指定其设计目标 – 比如在某些应力约束下最小化质量，该零部件将在不违反任何应力约束的情况下进行优化。

通过与航空航天公司的合作伙伴一起，ParaMatters 实际测试了压力约束设计解决方案，并且获得了理想的结果。目前，CogniCAD的用户能够指定刚度和应力约束以获得优化的设计。ParaMatters 并不满足于此，他们还在进一步开发软件使得软件将具有考虑振动环境和设置变形约束功能。（此项更新预计将于2019年2月推出。）

 面向制造业需求
目前，将CogniCAD与其他拓扑优化设计平台区分开来的另一个关键因素是，用户现在能够将其模型不仅导出为用于3D打印的STL文件，还可以导出为STEP文件，以便轻松地重新上载到CAD设计程序中。用户导入STEP，最后他们可以返回STEP，这在航空航天或其他认证应用中很重要，因为模型应记录在CAD中，而不仅仅是以STL的格式。ParaMatters付出了很多努力，允许用户将他们的模型转换为STEP。

CogniCAD的一个显著功能是特征尺寸控制，可确保使用该软件生成的设计始终可根据优化的构件尺寸和壁厚进行制造。并且这些设计是根据增材制造的工艺特点而生成的，在通过CogniCAD平台产生的所有设计中，所有这些设计都是可制造的。

此外，Paramatters解决了CogniCAD的介观结构优化功能，CogniCAD能够生成针对相关零件量身定制的内部几何形状，以满足应力的要求。

对于粉末床金属3D打印，一个普遍关心的问题是如何从3D打印部件上除去粉末。现在的普遍解决方案是设计几个粉末出口，在零件上打几个洞。所以在设计过程中需要让腔体之间尽量相互连接，因此通过添加几个孔，可以将粉末排出。

CogniCAD还提供多材料3D打印建模支持，多材料金属3D打印就是其中的一个例子，简而言之，该软件使用户能够将不同的金属分配给组件的各个部分，以优化强度，同时降低材料成本。例如，一部分可以由强度高的钛制成，而另一部分可以由强度较低的铝制成。在CogniCAD平台中，多材料设计可以在3D建模过程中实现可视化。

根据3D科学谷的了解，CogniCAD目前已经有四五个大用户 – 包括福特和大众，也有GE Power和其他公司。现在CogniCAD已经向公众开放，已经有很多用户注册了。

关于商业模式，CogniCAD是基于云的应用程序，用户需要在线支付软件服务的租赁费用。对于使用私有云的公司，Paramatters可以在其私有云上安装该软件。

 3D科学谷Review

就在2018年12月，PTC宣布收购拓扑优化设计软件公司Frustum Inc.，通过Frustum的Generate拓扑优化软件，对零件的材料分布进行了优化，最终在实现零部件功能的前提下保留尽可能少的材料。此外，通过光滑和混合表面的处理降低应力。由Frustum 软件生成具有适合3D打印的几何形状的模型。Frustum的拓扑优化设计技术是对PTC Creo产品组合的变革性补充。

而根据3D科学谷的市场研究，ParaMatters 的拓扑优化设计平台CogniCAD与Frustum的Generate拓扑优化软件平台的特点十分相似：根据零件性能要求的材料优化分布设计、针对增材制造而设计、基于云的软件平台。

与CogniCAD相似的是，Generate平台是为制造业的设计所服务的，平台所产生的无缝设计特点使的产品轻松获得最佳的刚性，并且在不同载荷下分配材料。光滑和混合的表面，减少重量，并尽量减少应力集中，从而使设计优化完成后就适应增材制造，而不需要手动重新设计。

当然，市场上通常把拓扑优化（Topology Optimization）与创成式设计（Generative Design）很多场合二者都是混为一谈的，但细究起来创成式设计（Generative Design）是根据一些起始参数通过迭代并调整来找到一个（优化）模型。拓扑优化（Topology Optimization）是对给定的模型进行分析，常见的是根据边界条件进行有限元分析，然后对模型变形或删减来进行优化。

创成式设计（Generative Design）是一个人机交互、自我创新的过程。根据输入者的设计意图，通过”创成式”系统，生成潜在的可行性设计方案的几何模型，然后进行综合对比，筛选出设计方案推送给设计者进行最后的决策。

通俗理解创成式设计是一种通过设计软件中的算法自动生成艺术品、建筑模型、产品模型的设计方法。创成式设计是一种参数化建模方式，在设计的过程中，当设计师输入产品参数之后，算法将自动进行调整判断，直到获得最优化的设计。目前比较著名的创成式设计软件包括欧特克的Within，欧特克的Dreamcatcher，西门子的Solid Edge ST10等。

根据3D科学谷的市场研究，目前ParaMatters和Frustum所提供的更多的是拓扑优化设计技术而并非创成式设计技术。

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绝大多数创成式设计方法基于结构优化，特别是拓扑优化（TO）。 经典拓扑优化解决的问题是，在给定数量的材料中，找到最坚固的结构，以数学/科学术语来描述拓扑优化就是，在体积分数约束（给定材料量）下将柔量最小化（相当于最大化刚度）。

那么，实现刚度最大化的设计就已经是最优化的设计结果了吗？本期，3D科学谷将通过一个创成式设计进行支架设计优化的案例来回答这个问题。在该案例中，ParaMatters 分别通过其创成式设计平台CogniCAD 中的柔量设计和最小质量设计，对同一个支架进行了设计优化研究，其中通过后者得到的支架设计在满足给定应力约束的情况下，得到的支架重量更轻。

 安装支架设计优化案例

材料：AlSi10Mg
属性：密度= 2670 kg / m3，杨氏模量= 60 GPa，泊松比= 0.33，屈服应力= 230 MPa。

支架固定在底座上，同时应用三个载荷工况如下：

载荷工况 1 – 在右分支上施加总力45,250 N
载荷工况 2 – 在左分支上施加总力45,250 N
载荷工况 3 – 在每个分支上同时施加45,250 N

设计目标是，在最大应力不超过给定的170 MPa限制的情况下，得到最轻的支架设计。

a. 柔量设计

设计师通过创成式设计平台CogniCAD，运行一系列最小柔量设计，以探索是否可以实现不超过170 MPa应力的设计。 使用CogniCAD中等分辨率，使具有大约2.5M元素的模型离散化。

第一次尝试中设定体积分数为30％，图3是拓扑设计的结果：

从图3中可以看到，应力高于给定的170MPa。接下来，尝试将体积分数增加到50％，得到较重的设计结果。

如图4所示，体积分数50％的结构，可以满足载荷工况 3 的应力约束，但是对于载荷工况1和 载荷工况 2来说应力太高。 因此，接下来再次尝试将体积分数增加到70％的情况。

如图5所示，体积分数70％ 的结构（相当于5.0kg的重量），满足170MPa的应力极限。

以上三种情况得到的结果总结如下表：

那么，以上通过柔量设计得到的70％体积分数（5.0 kg）的设计是否已经是最佳设计了呢？为了验证这个问题，ParaMatters设计师在应力约束设计下重新设计了从最小柔量到最小质量的优化设置。

根据 ParaMatters ，最小柔量公式易于解决，而在应力约束下的实现最小质量是一个非常困难的问题。

b. 应力约束下最小质量设计

设计师通过高级版本的CogniCAD软件，生成一个在应力约束下与最小质量相对应的设计。使用与以上案例相同的分辨率，CogniCAD 拓扑创成式设计提供了视频结果。

如图6所示，该设计满足所有载荷工况的应力极限，优化设计的质量为3.6千克。 使用最小质量公式，CogniCAD软件能够生成重量轻20%并满足应力约束的设计。

针对增材制造/3D打印，CogniCAD软件可以生成STL 水密模型，无需手动重建或调整几何图形，所有工作均由CogniCAD自动完成。

C. 设计分析

下图是对最小柔量设计和最小质量设计两种研究结果的总结：

满足应力约束的最小柔量设计比具有应力约束的最小质量设计重20％以上。

在图7 中，红色区域为应力约束设计，白色区域为柔量设计，可以看到拓扑结构存在差异。

在某些情况下，最小柔量设计甚至可能无法满足应力约束，而只有基于应力约束的设计才能够实现。

 小结

以上研究展示了ParaMatters 创成式设计平台CogniCAD怎样通过最小质量设计生成可制造的设计结果，该设计比标准拓扑优化最小柔量设计所得到的设计结果重量轻20%，并且设计过程无需通过设计师手动建模以及迭代。

参考资料来源：ParaMatters CTO Michael Bogomolny 博士。

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ParaMatters将CogniCAD成为创成式设计平台。使用CogniCAD，首先将CAD文件导入平台，然后定义加载和设计标准。几分钟之内，用户就可以获得验证并可以进行3D打印的生成设计。据该公司介绍，所有CogniCAD生成的设计都可以使用增材制造直接生产。

除了加速整个创新周期，ParaMatters正在开发新的算法，旨在提高整体数字线程和增材制造能力。这包括一个新的基于云的创成式设计平台，可自动根据性能要求生成设计，或者根据设计师或工程师指定的尺寸、重量、强度、样式、材料和成本来优化轻质和超材料网格结构。

联合创始人兼首席技术官Michael Bogomolny表示：“我们正在通过自动化地生成高质量、优化的轻量化设计，从而将整个设计制造过程转变。我们专有的创成式引擎能够以最少的用户输入自动提供高性能和高质量的设计，从而使整个设计周期从数天缩短到几个小时，并提高了生成设计的质量。”

该公司还宣布，作为其不断增长的汽车业务的一部分，它已经加入了Techniplas的开放式创新计划。Techniplas是全球领先的汽车产品和服务设计和制造商。他们的计划是建立强大的合作伙伴关系，并通过共享技术和领域专业知识提供整个生态系统的好处，为3D打印行业创造新的机遇。

来源：3 D虎

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